物聯(lián)網(wǎng)（ZigBee）技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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0　引言 無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時代即將來臨，物聯(lián)網(wǎng)被專家及多個國家認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)浪潮之后的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地球，還是溫家寶總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯(lián)網(wǎng)將是當(dāng)下最熱門最具競
 0 　引言
 無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時代即將來臨，物聯(lián)網(wǎng)被專家及多個國家認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)浪潮之后的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地球，還是溫家寶總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯(lián)網(wǎng)將是當(dāng)下最熱門最具競爭性的產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)一般需要布設(shè)現(xiàn)場總線，然后將現(xiàn)場設(shè)備連接到一臺電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并向用戶顯示界面，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時可能需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，而如果需要實現(xiàn)跨地區(qū)的遠(yuǎn)程管理，更是需要在互聯(lián)網(wǎng)上架設(shè)一臺專門的服務(wù)器，這樣，不僅需要投入服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及開發(fā)相應(yīng)的服務(wù)軟件，系統(tǒng)的維護(hù)除現(xiàn)場級設(shè)備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協(xié)助維護(hù)服務(wù)器設(shè)備，避免服務(wù)器故障而造成損失。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)中來，底層運(yùn)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場傳感器及設(shè)備，上層使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)，消除現(xiàn)場級布線的煩惱，可以消除網(wǎng)絡(luò)硬件的投入及日常的IT維護(hù)，同時可以輕松實現(xiàn)基于WEB服務(wù)的遠(yuǎn)程管理。由于本文所述的能源管理系統(tǒng)采用安科瑞（Acrel）公司提供的平臺及解決方案，因此，在系統(tǒng)具體實現(xiàn)的設(shè)計均按照Acrel平臺的要求，但這并不影響借鑒和參考此平臺和解決方案來討論物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架、問題，及前景。
1 　什么是物聯(lián)網(wǎng)
1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義
目前國內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)也還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，只是在大體的技術(shù)框架上做了一個概念性的表述：通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)就字面意義上理解就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。從物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用，使人與物智慧對話，創(chuàng)造一個智慧的世界。因為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幾乎涉及到了信息技術(shù)的方方面面，是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展，也因此才被稱為是信息技術(shù)的第三次革命性創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來主要體現(xiàn)在三個方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對需要聯(lián)網(wǎng)的物一定要能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；二是識別與通信特征，即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動識別與物物通信的功能；三是智能化特征，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。
1.2 物聯(lián)網(wǎng)的組成
物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)主要由三大塊組成：
一、包括各類傳感器、控制器等數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備，及構(gòu)成這些設(shè)備互聯(lián)的底層傳感網(wǎng)絡(luò)組成的設(shè)備感知層。感知層中的智能終端、智能傳感器、射頻識別，以及傳感網(wǎng)絡(luò)，組成了物聯(lián)網(wǎng)的底層基礎(chǔ)。
二、將底層傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用各種接入技術(shù)：如以太網(wǎng)、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至衛(wèi)星通訊等，最終接入互聯(lián)網(wǎng)。云技術(shù)強(qiáng)大的存儲、查詢、計算能力，也都?xì)w屬在這一層。
三、根據(jù)客戶自身需求，利用感知數(shù)據(jù)或狀態(tài)為用戶提供有效的特定服務(wù)的應(yīng)用層。應(yīng)用層是對感知數(shù)據(jù)的一種特定形式的呈現(xiàn)。
1.3 ZigBee技術(shù)的特點
ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到最新的增加了ZigBee-PRO擴(kuò)展指令集的ZigBee2006版本，ZigBee功能不斷強(qiáng)大。ZigBee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通信技術(shù)相比較，ZigBee的特點主要有。
(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時都可以進(jìn)入睡眠模式。
(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時。ZigBee的最大通信速率達(dá)到250 kb／s(工作在2.4GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需3～10S、Wi-Fi需3S。
(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，擴(kuò)展后達(dá)到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
(5)高可靠性和高安全性。ZigBee的媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。
1.4 ZigBee的性能參數(shù)
以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端為例，其主要參數(shù)見表1.
表1
    型 號     
    參 數(shù)
ANEZB-485
ZigBee采集器
ANEZB-GTW
ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端
無線
頻率范圍
2.41GHz~2.48GHz
RF信道
16
接收靈敏度
-94dbm
發(fā)射功率
-27dbm~25dbm
天  線
外置SMA天線
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>
網(wǎng)狀
尋址方式
IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)地址
網(wǎng)絡(luò)容量
最大255個節(jié)點
通信接口
通信接口
RS485
工業(yè)以太網(wǎng)
波特率
9600bps（默認(rèn)）、4800bps、2400bps、1200bps可選；
通信協(xié)議
MODBUS-RTU協(xié)議
LED指示
網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示
綠燈
POWER指示
紅燈
數(shù)據(jù)指示
綠燈
電源
輔助電源
220V AC
功耗
4W
電磁兼容
浪涌電壓4000V
快速瞬變?nèi)好}沖4000V
靜電8000V
機(jī)械尺寸
89×76×74mm
工作溫度
-20℃~65℃
儲藏溫度
-40℃~85℃
2 　能源管理系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 工作原理
能源管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)用電設(shè)備的智能管理，采用基于Acrel公司解決方案，感知層采用ZigBee無線通訊技術(shù)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備成本低、設(shè)備體積小、省電、網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)等特點，非常適合廣泛應(yīng)用在智能家庭、工業(yè)控制、能源管理、醫(yī)療監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)電力儀表、智能開關(guān)組成一個ZigBee私域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)相互之間的連接。網(wǎng)關(guān)可進(jìn)行本地邏輯運(yùn)算，實現(xiàn)本地智能。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
能源管理系統(tǒng)由現(xiàn)場采集執(zhí)行器、本地數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用服務(wù)程序等幾個部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
(1)現(xiàn)場采集執(zhí)行器：主要有ACR330ELH、ACR220EL卡表
(2)應(yīng)用服務(wù)程序：運(yùn)行于Google云技術(shù)服務(wù)平臺，基于Google App Engine開發(fā)的web應(yīng)用程序，具有權(quán)限的用戶在任何可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方，使用Web瀏覽器登錄，即可查看該能源管理系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及能耗數(shù)據(jù)報表等信息。
3 　能源管理系統(tǒng)計量體系宜選電力儀表
     建立能源管理系統(tǒng)應(yīng)先建立計量體系。數(shù)據(jù)先于決策，節(jié)能始于計量。為了不重復(fù)投資，造成浪費(fèi)，能源管理系統(tǒng)應(yīng)與配電系統(tǒng)一體化，直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數(shù)據(jù)。
      電能計量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表，不宜用收費(fèi)電表。在電能管理中，供電部門一般會在總進(jìn)線處安裝收費(fèi)電表?？紤]內(nèi)部電能計量與節(jié)能管理的需要，在用戶安裝收費(fèi)電表的基礎(chǔ)上安裝電力儀表，用于內(nèi)部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應(yīng)注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區(qū)的分項電能數(shù)據(jù)的采集，通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項計量。
4 　ZigBee無線抄表解決方案
     圖3為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的各個ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個表計，如果表計的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù)，通過原路返回給監(jiān)控主機(jī)。
     整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分項的電能計量，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內(nèi)的各個分項能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時間里的各個分項的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。
    安科瑞為生產(chǎn)基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設(shè)計的針對生產(chǎn)用電進(jìn)行管理的電能管理分析系統(tǒng)，是基于ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZigBee與RS485混合組網(wǎng)模式。
整個廠區(qū)共設(shè)8個集中監(jiān)測點，分別位于配電間、層配生產(chǎn)動力柜、空調(diào)動力柜、排風(fēng)機(jī)控制箱及位于配電末端的幾個照明控制箱。每個監(jiān)測點各設(shè)置無線ZigBee采集器一只，通過RS485總線對位于該監(jiān)測點的電能計量儀表進(jìn)行通訊組網(wǎng)；監(jiān)控中心設(shè)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端一只，結(jié)合現(xiàn)場實際情況及考慮通訊的可靠性，于適當(dāng)位置設(shè)置數(shù)只ZigBee中繼路由器。系統(tǒng)的組網(wǎng)示意如圖4。
 
    
     公司通過建立ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)解決方案的工廠試點工程，對ANEZB無線ZigBee通訊模塊的實際參數(shù)進(jìn)行了驗證。詳細(xì)參數(shù)見表3。
表3 ANEZB系列ZigBee通訊模塊性能參數(shù)表
參數(shù)
備注
系統(tǒng)容量
  
工作頻段
2.4GHz
不同信道，不同ID可以組成不同的子網(wǎng)。
無線信道
16個
網(wǎng)絡(luò)ID數(shù)
255個
子網(wǎng)容量
  
ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端
1個
網(wǎng)絡(luò)中有時需要犧牲一些ZigBee采集器只作中繼路由，防止個別節(jié)點通信不上。
ZigBee采集器
≤30個
表計容量
≤254個
條件
穿透距離（單位：米）
備注
空曠無障礙地方傳輸距離
1200
  
24cm厚磚墻，寬4米的房間
16（3堵墻）
建議安裝在靠近外墻，效果更好。
單堵24cm厚磚墻
40
16cm混凝土樓板，層高4米
向上傳輸
8（2層板）
向下傳輸
4（1層板）
注1：以上表中數(shù)據(jù)是試點工程中的實測數(shù)據(jù)。在實際情況實施時，應(yīng)視樓宇實際結(jié)構(gòu)而定。
注2：無線信號穿透能力，往往還會受到如房間堆放物品的數(shù)量，堆放物品的高度等影響。
4 　結(jié)束語
      基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式比較靈活，而且有效減少了布線工作量，解決了有線通信方式帶來的布線難度大、成本高和升級維護(hù)困難等問題。
      物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在此能源管理系統(tǒng)中取得了成功的應(yīng)用，通過設(shè)定一些閾值及條件，電燈可依照亮度傳感器的感知數(shù)據(jù)及夏令、冬令時間自行開關(guān)，實現(xiàn)了物物感知、智能控制的效果，而云技術(shù)的運(yùn)用實現(xiàn)了免IT基礎(chǔ)設(shè)施的用戶應(yīng)用即時發(fā)布，徹底消除了IT設(shè)備采購周期、IT維護(hù)等因素的影響。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將使人們的生活更加便捷、更加智能化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會越來越多的被應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也會從目前的局限于一個工廠、一棟樓宇的局域感知型物聯(lián)網(wǎng)，向大范圍、眾多不同設(shè)備互聯(lián)的廣域感知型物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。但是由于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒有相關(guān)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，且物聯(lián)網(wǎng)本身的定義還存在爭論，因此，全面普及的大范圍廣域物聯(lián)網(wǎng)還有許多路要走。

參考文獻(xiàn)：
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